ĐỒ ÁN MÔN HỌC THIẾT KẾ MẠCH TÍCH HỢP TƯƠNG TỰ Trong bối cảnh này, đồ án này nhằm mục đích tìm hiểu và thảo luận về quá trình thiết kế và ứng dụng các mạch OPAMP trong lĩnh vực y sinh. Thông qua việc nghiên cứu sâu rộng về nguyên lý hoạt động của OPAMP, các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất và ứng dụng thực tế của chúng trong y học, chúng ta sẽ khám phá cách mà công nghệ này đóng góp vào việc nâng cao chất lượng chăm sóc sức khỏe và cải thiện cuộc sống của con người.
TỔNG QUAN VỀ MẠCH KHUẾCH ĐẠI
Khái quát chung về khuếch đại thuật toán
Mạch khuếch đại thuật toán (tiếng anh: operational amplifier), thường được gọi tắt là op-amp là một mạch khuếch đại “DC-coupled” (tín hiệu đầu vào bao gồm cả tín hiệu BIAS) với hệ số khuếch đại rất cao, có đầu vào vi sai, và thông thường có đầu ra đơn Trong những ứng dụng thông thường, đầu ra được điều khiển bằng một mạch hồi tiếp âm sao cho có thể xác định hệ số khuếch đại, trở kháng vào và trở kháng ra.
Hầu như trong tất cả các thiết kế mạch điện tử, bộ khuếch đại hoạt động như một khối xây dựng mạch quan trọng OPAMP là mạch khuếch đại vi sai đầu vào sử dụng phản hồi bên ngoài để xây dựng các mạch thực tế như bộ so sánh, bộ đệm, bộ dao động, bộ lọc, bộ khuếch đại thiết bị đo đạc, v.v.
Cấu trúc của một khuếch đại thuật toán thường bao gồm các khối sau:
Hình 1 1 Sơ đồ khối của một op-amp thực tế.
● Differential input amplifier: Đây là tầng khuếch đại vi sai, nó có nhiệm vụ khuếch đại sự sai lệch tín hiệu giữa hai ngõ vào va và vb Nó hội tục các ưu điểm của mạch khuếch đại vi sai như: Độ miễn nhiễu cao; khuếch đại được tín hiệu biến thiên chậm; tổng trở ngõ vào lớn…
● Level shift differential to -single-ended gain stage: Tầng khuếch đại trung gian, nó bao gồm nhiều tầng khuếch đại vì sai mắc nối tiếp nhau tạo nên một mạch khuếch đại có hệ số khuếch đại rất lớn, nhằm tăng độ nhay cho Op-Amps Trong tầng này còn có tầng dịch mức DC để đặt mức phân cực
● Output buffer stage: Đây là tầng khuếch đại đệm, tầng này nhằm tăng dòng cung cấp ra tải, giảm tổng trở ngõ ra giúp Op-Amps phối hợp dễ dàng với nhiều dạng tài khác nhau
Op-Amps thực tế vẫn có một số khác biệt so với Op-Amps lý tưởng Nhưng để dễ dàng trong việc tính toán trên Op-Amps người ta thường tỉnh trên Op-Amps lý tưởng, sau đó dùng các biện pháp bù giúp Op-Amps thực tế tiệm cận với Op-Amps lý tưởng.
Do đó để thuận tiện cho việc trình bày nội dung trong chương này có thể hiểu Op-Amps nói chung là Op-Amps lý tưởng sau đó sẽ thực hiện việc bố sung sau.
Các chỉ tiêu thiết kế
Khi thiết kế một mạch khuếch đại thuật toán cho ứng dụng trong y sinh, các chỉ tiêu thiết kế cần được xem xét cẩn thận để đảm bảo rằng mạch đáp ứng được yêu cầu chính xác và đáng tin cậy của lĩnh vực y tế Dưới đây là các chỉ tiêu quan trọng cụ thể::
1 Hệ số khuếch đại (Gain): Đo lường mức độ khuếch đại của mạch, là tỷ lệ giữa biên độ của tín hiệu đầu ra và tín hiệu đầu vào.
2 Băng thông (Bandwidth): Là phạm vi tần số mà mạch có thể hoạt động một cách hiệu quả mà không làm biến đổi tín hiệu quá mức cho phép
3 Trở kháng vào và trở kháng ra (Input and Output Impedance): Trở kháng của mạch đối với tín hiệu đầu vào và tín hiệu đầu ra cần được thiết kế sao cho phù hợp không làm suy giảm tín hiệu từ cảm biến, trong khi trở kháng ra cần phải cao để không làm giảm độ khuếch đại của mạch.
4 Slew Rate: Là tốc độ tối đa mà mạch có thể thay đổi biên độ của tín hiệu đầu ra
5.Nhiễu (Noise): Đo lường mức độ nhiễu và biến động trong tín hiệu đầu ra của mạch.
6 Công suất (Power Consumption): Là lượng điện năng mà mạch tiêu tốn trong quá trình hoạt động
Các chỉ tiêu thiết kế này cần được xem xét kỹ lưỡng để đảm bảo rằng mạch khuếch đại thuật toán trong y sinh đáp ứng được yêu cầu chính xác và đáng tin cậy của ứng dụng.
Trong lĩnh vực y sinh, việc quan tâm đến hệ số khuếch đại và băng thông của mạch khuếch đại là rất quan trọng vì các yêu cầu đặc biệt của ứng dụng y tế Việc đảm bảo chính xác và độ tin cậy của dữ liệu là rất quan trọng Hệ số khuếch đại đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo rằng tín hiệu y tế như tín hiệu từ cảm biến hoặc từ bệnh nhân được khuếch đại đủ lớn để có thể được phân tích và đưa ra quyết định chính xác Băng thông đảm bảo rằng mạch có thể tái tạo chính xác các tín hiệu y tế, bao gồm cả các tín hiệu có tần số cao như tín hiệu ECG hoặc tín hiệu EMG.
Trong một số trường hợp, việc phản ứng nhanh đối với các biến động trong tín hiệu y tế là cần thiết Hệ số khuếch đại và băng thông cần phải được thiết kế để đảm bảo rằng mạch có thể phản ứng nhanh chóng đối với các biến động trong tín hiệu, như trong việc phát hiện các sự kiện y tế quan trọng hoặc trong các hệ thống điều khiển y tế.Trong môi trường y tế, các tín hiệu thường bị ảnh hưởng bởi nhiễu từ các nguồn khác nhau như từ môi trường xung quanh hoặc từ các thiết bị điện tử khác Băng thông cần phải đủ lớn để loại bỏ nhiễu mà không làm mất đi thông tin quan trọng Đồng thời, hệ số khuếch đại cần được điều chỉnh sao cho đảm bảo rằng nhiễu không được khuếch đại lên cùng mức với tín hiệu quan trọng.
Một thiết kế không cân nhắc về hệ số khuếch đại và băng thông có thể dẫn đến khuếch đại không mong muốn của nhiễu hoặc tín hiệu không mong muốn, có thể gây ra rủi ro cho bệnh nhân Do đó, việc đảm bảo rằng mạch khuếch đại đáp ứng các yêu cầu an toàn và hiệu suất là rất quan trọng trong ứng dụng y sinh.
Trong y sinh, công suất tiêu thụ cần phải được kiểm soát để giảm thiểu sự tiêu tốn năng lượng và tăng tuổi thọ của mạch, đặc biệt khi được sử dụng trong các thiết bị di động hoặc cảm biến y tế.Các chỉ tiêu thiết kế này cần được xem xét kỹ lưỡng để đảm bảo rằng mạch khuếch đại thuật toán trong y sinh đáp ứng được yêu cầu chính xác và đáng tin cậy của ứng dụng Việc giảm thiểu công suất tiêu thụ của mạch khuếch đại là rất quan trọng vì nó ảnh hưởng trực tiếp đến tuổi thọ của thiết bị và cũng ảnh hưởng đến nguồn năng lượng của bệnh nhân (nếu có) Mức tiêu thụ điện năng của mạch cần được kiểm soát để không làm nóng quá mức và gây hại đến bệnh nhân hoặc môi trường xung quanh.Việc giảm công suất cũng giúp tăng tuổi thọ của pin hoặc nguồn năng lượng, điều này quan trọng đặc biệt trong các thiết bị y tế di động.Trong lĩnh vực y sinh, việc có một slew rate đủ lớn là cực kỳ quan trọng trong các ứng dụng cần phản ứng nhanh chóng đối với các biến động tín hiệu, như trong điều khiển dữ liệu thần kinh hoặc trong việc phát hiện sự kiện y tế cấp cứu.Nếu slew rate không đủ lớn, có thể xảy ra hiện tượng biến dạng tín hiệu hoặc mất mát thông tin quan trọng, đặc biệt là trong việc đo lường và giám sát các tín hiệu sinh học như nhịp tim hay sóng não.Như vậy, công suất và slew rate cũng đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo hiệu suất và an toàn của các mạch khuếch đại được sử dụng trong lĩnh vực y sinh Các thiết kế cần phải cân nhắc và tối ưu hóa các yếu tố này để đảm bảo rằng mạch hoạt động hiệu quả và đáp ứng đúng yêu cầu của ứng dụng y tế.
Mạch khuếch đại đơn tầng
Ở mục 1.2, chúng ta đã xem xét các yếu tố quan trọng trong thiết kế mạch khuếch đại thuật toán, từ hệ số khuếch đại đến băng thông và các chỉ tiêu kỹ thuật khác Những yếu tố này không chỉ là cơ sở quan trọng cho việc xây dựng một mạch khuếch đại hiệu quả, mà còn đóng vai trò quan trọng trong việc đáp ứng các yêu cầu đặc biệt của ứng dụng y sinh.Bây giờ, chúng ta sẽ đi sâu hơn vào một trong những loại mạch khuếch đại phổ biến nhất trong lĩnh vực y tế - mạch khuếch đại đơn tầng Mạch này, mặc dù đơn giản, nhưng vẫn mang lại hiệu suất đáng kể và có nhiều ứng dụng quan trọng trong các thiết bị y tế Hãy cùng tìm hiểu về nguyên lý hoạt động, ưu điểm và ứng dụng của mạch khuếch đại đơn tầng ngay sau đây
Trong lĩnh vực điện tử, mạch khuếch đại đơn tầng (Single-Stage Amplifier) là một trong những kiểu mạch khuếch đại đơn giản nhất nhưng vẫn cung cấp hiệu suất tốt. Mạch này thường được sử dụng để khuếch đại tín hiệu từ mức đầu vào lên mức đầu ra mà không cần sử dụng nhiều các tầng khuếch đại phức tạp
Hình 1.3 1-1 Sơ đồ chung cho mạch khuếch đại đơn tầng
Mạch khuếch đại đơn tầng hoạt động dựa trên nguyên tắc cơ bản của khuếch đại tín hiệu bằng cách sử dụng một bộ khuếch đại thuật toán đơn giản Thông thường, mạch này bao gồm một transistor hoạt động ở chế độ tích cực (active mode), được phân cực dưới dạng (self-biasing) hoặc nguồn dòng cố định (fixed bias) Khi một tín hiệu được đưa vào cực cửa(Gate) của transistor, nó sẽ điều chỉnh dòng qua transistor và do đó tạo ra một tín hiệu đầu ra lớn hơn.
● Mô hình thay thế tương đương
Hình 1.3 1-2 Sơ đồ tương đương hình Pi và hình T
Trước khi chúng ta bắt đầu nghiên cứu về các mạch khuếch đại MOS, chúng ta xem xét các đặc tính của mạch khuếch đại như một khối chức năng.
Hình 1.3 1-3 Các đặc trưng cơ bản của bộ khuếch đại đơn tầng dùng MOS
● Các công thức tính toán
Hình 1.3 1-3 cho thấy mạch khuếch đại với khối khuếch đại được thay thế bằng sơ đồ tương đương Trở kháng đầu vào R ¿ đại diện cho ảnh hưởng tải của đầu vào bộ khuếch đại lên nguồn tín hiệu.
Và cùng với trở kháng R sig tạo thành một bộ phân áp làm giảm v sig đến giá trị v i xuất hiện ở đầu vào bộ khuếch đại: v i = R ¿
Hầu hết các mạch khuếch đại được nghiên cứu trong phần này đều là đơn tầng Nghĩa là, chúng không có phản hồi nội bộ, và do đó R ¿ sẽ độc lập với R L Tuy nhiên, nhìn chung R ¿có thể phụ thuộc vào tải R L
Tham số thứ hai trong việc mô tả đặc trưng của bộ khuyếch đại là hệ số khuếch đại điện áp hở mạch A vo được định nghĩa là:
Tham số thứ ba và cuối cùng là trở kháng đầu ra R O R O là trở kháng nhìn từ đầu ra của bộ khuếch đại đầu ra với v i đặt bằng không Vì vậy, R O có thể được xác định như sau
Vì R O được xác định với v i =0, giá trị của R O không phụ thuộc vào R sing
Nguồn dòng được điều khiển A vo v i và trở kháng đầu ra R O đại diện cho
Th'evenin của mạch khuếch đại ở đầu ra , và điện áp đầu ra v o có thể được tìm thấy từ: v 0 = R L
Do đó hệ số khuếch đại vòng kín của bộ khuếch đại, A v :
Và hệ số khuếch đại toàn bộ mạch điện G v :
Có thể được xác định như sau
Từ những công thức liên quan đến trở kháng vào, trở kháng ra, hệ số khuếch đại vòng kín, hệ số khuếch đại vòng hở… ta có thể đưa ra vài lời nhận xét như sau Mạch khuếch đại đơn tầng, mặc dù đơn giản và dễ triển khai, nhưng vẫn mang theo những ưu và nhược điểm riêng biệt trong các ứng dụng điện tử: Ưu Điểm:
1 Đơn Giản và Chi Phí Thấp: Mạch khuếch đại đơn tầng thường có cấu trúc đơn giản và sử dụng ít thành phần hơn so với các mạch khuếch đại đa tầng. Điều này làm giảm chi phí sản xuất và thiết kế, đồng thời giúp tối ưu hóa hiệu suất kinh tế của mạch.
2 Dễ Thiết Kế và Triển Khai: Với cấu trúc đơn giản, mạch khuếch đại đơn tầng dễ dàng thiết kế và triển khai trong các ứng dụng điện tử Việc chỉ cần một transistor và một số linh kiện phụ trợ giúp việc lập trình và sử dụng mạch trở nên dễ dàng hơn.
3 Tiêu Thụ Điện Năng Thấp: Mạch khuếch đại đơn tầng thường tiêu thụ ít điện năng hơn so với các mạch khuếch đại phức tạp hơn Điều này làm giảm nguy cơ quá nhiệt và gia tăng tuổi thọ của mạch, đồng thời giúp tiết kiệm năng lượng trong các ứng dụng di động và pin dự phòng.
1 Hệ Số Khuếch Đại Thấp: Một trong những nhược điểm lớn của mạch khuếch đại đơn tầng là hệ số khuếch đại thường thấp hơn so với các mạch khuếch đại đa tầng Điều này có thể làm giảm độ nhạy của mạch và làm giảm chất lượng của tín hiệu đầu ra.
2 Băng Thông Hạn Chế: Mạch khuếch đại đơn tầng thường có băng thông hạn chế, giới hạn khả năng tái tạo các tín hiệu có tần số cao hoặc biến đổi nhanh Điều này có thể làm giảm độ chính xác và độ phản ứng của mạch đối với các tín hiệu đầu vào biến động nhanh.
3 Nhiễu và Nhiệt Độ: Do cấu trúc đơn giản và số lượng linh kiện ít, mạch khuếch đại đơn tầng thường dễ bị ảnh hưởng bởi nhiễu từ môi trường và biến đổi nhiệt độ Điều này có thể gây ra các sai số và biến dạng tín hiệu trong môi trường yếu tố nhiễu hoặc biến đổi.
Từ những điều trên ta thấy nhược điểm của mạch khuếch đại đơn tầng khiến nó bị hạn chế ứng dụng trong lĩnh vực y sinh Mặc dù đơn giản và dễ triển khai, nhưng hệ số khuếch đại thấp, băng thông hạn chế và độ nhạy cao với nhiễu là những vấn đề gây khó khăn trong việc sử dụng mạch này trong các thiết bị y tế.Để vượt qua những hạn chế này, người ta đã đề xuất và phát triển các cấu trúc mạch khuếch đại đa tầng Trong số đó, thiết kế mạch khuếch đại 2 tầng đã thu hút sự chú ý đặc biệt Bằng cách kết hợp hai hoặc nhiều tầng khuếch đại đơn tầng với các kỹ thuật khuếch đại và phản hồi phức tạp hơn, mạch khuếch đại đa tầng cung cấp hiệu suất cao hơn, băng thông rộng hơn và độ ổn định tốt hơn, phù hợp hơn với các yêu cầu chính xác và đáng tin cậy của các ứng dụng y sinh.Do đó, trong nỗ lực cải thiện hiệu suất và độ chính xác của các thiết bị y tế, việc sử dụng mạch khuếch đại đa tầng, đặc biệt là thiết kế mạch khuếch đại 2 tầng, đang trở thành xu hướng phổ biến và được ưu tiên Sự kết hợp của các tầng khuếch đại và các kỹ thuật tiên tiến giúp nâng cao chất lượng và độ tin cậy của các thiết bị y tế, đồng thời tạo ra cơ hội mới để áp dụng công nghệ điện tử trong lĩnh vực y sinh. Để làm rõ hơn điều này, chúng tôi sẽ tiến hành nghiên cứu nó trong mục tiếp theo
Mạch khuếch đại đa tầng
Mạch khuếch đại 2 tầng, một trong những cấu trúc phổ biến nhất trong điện tử, đóng vai trò quan trọng trong việc khuếch đại và xử lý tín hiệu trong nhiều ứng dụng, đặc biệt là trong lĩnh vực y sinh Trong mục này, chúng ta sẽ tìm hiểu về cấu trúc, nguyên lý hoạt động và ứng dụng của mạch khuếch đại 2 tầng, đồng thời khám phá cách mà nó có thể cải thiện và mở rộng khả năng ứng dụng trong lĩnh vực y sinh.
Hình 1.4 1-1 Sơ đồ khối chung cho mạch khuếch đại hai tầng
Mạch khuếch đại 2 tầng là một cấu trúc mạch phức tạp được hình thành từ hai tầng khuếch đại, mỗi tầng cung cấp một mức độ khuếch đại riêng biệt Cấu trúc này thường bao gồm một tầng khuếch đại đầu tiên, thường là một tầng khuếch đại nhỏ gần tín hiệu đầu vào, và một tầng khuếch đại thứ hai, cung cấp một mức độ khuếch đại cao hơn và tinh chỉnh tín hiệu ra từ giai đoạn trước.
Trong tầng đầu tiên, thường sử dụng một transistor làm khuếch đại trong chế độ common source Tín hiệu đầu vào được đưa vào cổng gate của transistor này, và tín hiệu đầu ra được lấy ra từ cực drain Tầng đầu tiên thường là giai đoạn khuếch đại sơ bộ và cung cấp một mức độ khuếch đại đầu ra nhỏ gần với tín hiệu đầu vào.Nó cũng có thể được sử dụng để điều chỉnh và tinh chỉnh biên độ và pha của tín hiệu đầu ra trước khi nó được đưa vào tầng thứ hai.
Tầng thứ hai thường sử dụng một transistor trong chế độ common source (CS), nhưng với các kỹ thuật và thành phần phụ trợ được sử dụng để tăng cường hiệu suất.Mạch khuếch đại 2 tầng cung cấp một sự linh hoạt cao cho việc tinh chỉnh và điều chỉnh hiệu suất mạch Bằng cách kết hợp hai giai đoạn khuếch đại, mạch này có thể cung cấp một hệ số khuếch đại lớn hơn và băng thông rộng hơn, đồng thời đảm bảo độ ổn định và độ chính xác của tín hiệu đầu ra.
Tóm lại, mỗi tầng trong mạch khuếch đại 2 tầng có vai trò quan trọng trong việc cung cấp khuếch đại cho tín hiệu đầu vào và tạo ra tín hiệu đầu ra ổn định và chính xác Sự kết hợp giữa hai tầng này giúp cải thiện hiệu suất và linh hoạt của mạch trong nhiều ứng dụng y sinh và điện tử khác nhau từ giám sát tín hiệu sinh học đến xử lý hình ảnh y tế và các ứng dụng chẩn đoán y tế Trong giám sát tín hiệu sinh học, như ECG (đo nhịp tim) hoặc EEG (đo sóng não), mạch khuếch đại 2 tầng có thể cung cấp khả năng tái tạo tín hiệu chính xác và độ tin cậy cao.
Tiềm năng phát triển của mạch khuếch đại 2 tầng trong lĩnh vực y sinh là rất lớn. Các nhà nghiên cứu và kỹ sư có thể tinh chỉnh và cải tiến cấu trúc mạch này để đáp ứng các yêu cầu ngày càng phức tạp của công nghệ y tế, từ việc giảm kích thước và tiêu thụ năng lượng đến việc cải thiện khả năng phân tích tín hiệu và tích hợp vào các thiết bị y tế di động và không dây.
Sau khi đã thảo luận về cấu trúc và nguyên lý hoạt động của mạch khuếch đại 2 tầng, chúng ta tiếp tục đi sâu vào khía cạnh quan trọng khác của mạch này, đó là việc điều chỉnh và bù để đảm bảo hiệu suất ổn định và đáp ứng yêu cầu của ứng dụng. Trong mục này, chúng ta sẽ tìm hiểu về quá trình bù trong mạch khuếch đại hai tầng, một phần quan trọng của quá trình thiết kế mạch.Bù trong mạch khuếch đại hai tầng đóng vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh các thông số của mạch để đảm bảo rằng nó hoạt động ổn định và hiệu suất trong mọi điều kiện Việc bù giúp loại bỏ hoặc giảm thiểu các vấn đề như dao động không mong muốn, biến dạng tín hiệu và mất mát hiệu suất Đặc biệt, điều này quan trọng đối với các ứng dụng y tế và y sinh, nơi độ chính xác và độ tin cậy của mạch là yếu tố quyết định Bù trong mạch khuếch đại hai tầng thường bao gồm việc điều chỉnh các thông số như độ dự trữ pha, tần số cắt, và băng thông của mạch Quá trình này đòi hỏi sự am hiểu sâu rộng về cách mạch hoạt động và các kỹ thuật thiết kế, cũng như sự kiên nhẫn và kỹ năng để tối ưu hóa hiệu suất của mạch trong mọi điều kiện làm việc.
Trong mục tiếp theo, chúng ta sẽ đi vào chi tiết về các kỹ thuật và phương pháp bù thường được sử dụng trong mạch khuếch đại 2 tầng, cũng như tầm quan trọng của việc thực hiện bù trong quá trình thiết kế mạch.
Bù trong OPAMP
Bù trong op-amp (operations amplifier) là quá trình điều chỉnh và tinh chỉnh các thông số của mạch để đảm bảo rằng nó hoạt động ổn định và hiệu suất trong mọi điều kiện Việc bù cần thiết để tránh các vấn đề như dao động không mong muốn, biến dạng tín hiệu và mất mát hiệu suất Dưới đây là một số lý do cụ thể về tại sao cần phải bù trong op-amp:
1 Đảm Bảo Ổn Định: Bù giúp đảm bảo rằng mạch op-amp hoạt động ổn định và không dao động không mong muốn Điều này đặc biệt quan trọng trong các ứng dụng như các mạch phản hồi và điều khiển, nơi độ ổn định của mạch là yếu tố quyết định.
2 Loại Bỏ Biến Dạng Tín Hiệu: Bù giúp loại bỏ hoặc giảm thiểu biến dạng tín hiệu đầu ra của mạch op-amp Biến dạng có thể xảy ra do nhiễu, độ nhạy của mạch hoặc không ổn định của nguồn cấp.
3 Đảm Bảo Đáp Ứng Tín Hiệu Chính Xác: Bù giúp đảm bảo rằng mạch op- amp có thể đáp ứng chính xác các tín hiệu đầu vào và tạo ra tín hiệu đầu ra chính xác dựa trên yêu cầu của ứng dụng.
Nếu không thực hiện bù trong mạch op-amp, mạch có thể gặp phải các vấn đề như:
- Dao Động Không Mong Muốn: Mạch có thể bắt đầu dao động không mong muốn, dẫn đến tín hiệu đầu ra không ổn định hoặc biến dạng.
- Khả Năng Phản Ứng Kém: Mạch không thể phản ứng chính xác hoặc nhanh chóng đối với các biến thể trong tín hiệu đầu vào.
- Mất Mát Hiệu Suất: Mạch có thể gặp phải mất mát hiệu suất và không thể đáp ứng đúng cách đối với yêu cầu của ứng dụng.
Tóm lại, việc bù trong mạch op-amp là cần thiết để đảm bảo rằng mạch hoạt động ổn định, có hiệu suất cao và đáp ứng được yêu cầu của ứng dụng Việc không thực hiện bù có thể dẫn đến các vấn đề không mong muốn và mất mát hiệu suất trong mạch. Dưới đây tôi xin liệt kê một số kỹ thuật bù và phương pháp bù trong op-amp
Các kỹ thuật và phương pháp bù trong op-amp (operations amplifier) đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo hiệu suất và ổn định của mạch Dưới đây là một số kỹ thuật và phương pháp bù phổ biến được sử dụng trong op-amp:
- Bù pha là một kỹ thuật được sử dụng để điều chỉnh độ dự trữ pha của mạch op-amp Việc bù pha giúp đảm bảo rằng mạch không gặp phải các vấn đề như dao động không mong muốn và giữ cho mạch ổn định trong mọi điều kiện làm việc.
- Một số phương pháp bù pha thông thường bao gồm sử dụng tụ pha hoặc tụ bù để tăng hoặc giảm độ dự trữ pha tùy thuộc vào yêu cầu cụ thể của mạch.
2 Bù Hiệu Ứng Miller (Miller Compensation):
- Bù hiệu ứng Miller là một kỹ thuật được sử dụng để giảm thiểu hiệu ứng Miller, một hiện tượng phổ biến trong các mạch khuếch đại và mạch op-amp gây ra bởi sự tương tác của các đầu vào và đầu ra của mạch.
- Phương pháp bù hiệu ứng Miller thường bao gồm sử dụng tụ bù để tạo ra một đường feedback (phản hồi) từ đầu ra đến đầu vào của mạch, giúp giảm hiệu ứng Miller và cải thiện hiệu suất của mạch.
3 Bù Tần Số Cắt (Bandwidth Compensation):
- Bù tần số cắt là kỹ thuật được sử dụng để điều chỉnh băng thông của mạch op- amp sao cho phù hợp với yêu cầu của ứng dụng cụ thể.
- Phương pháp bù tần số cắt thường bao gồm việc điều chỉnh các thông số của các thành phần trong mạch như tụ và điện trở để kiểm soát tần số cắt của mạch.
4 Bù Dòng Cản (Bias Current Compensation):
- Bù dòng cản là kỹ thuật được sử dụng để giảm thiểu ảnh hưởng của dòng cản (bias current) đến hiệu suất của mạch op-amp.
- Phương pháp bù dòng cản thường bao gồm sử dụng các thành phần phản hồi như điện trở và transistor để giảm thiểu ảnh hưởng của dòng cản lên độ chính xác và độ ổn định của mạch.
Tóm lại, các kỹ thuật và phương pháp bù trong op-amp đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo hiệu suất và ổn định của mạch, đặc biệt là trong các ứng dụng y tế và y sinh nơi yêu cầu về độ chính xác và độ tin cậy là rất cao Tiếp theo, để hiểu rõ hơn, tôi sẽ đi vào chi tiết từng phương pháp bù trong op-amp
Bù kiểu Muller của OPAMP hai tầng
Kỹ thuật này nối một tụ từ đầu ra tới đầu vào của tầng khuếch dại dẫn truyền thứ hai gmII Kết quả là ta có mô hình tín hiệu nhỏ của mạch như ở hình dưới
1.6 1-1Tụ bù Muller áp dụng cho op-amp hai tầng Điều này dẫn tới điểm cực p1 gần với gốc tọa độ hơn (p1 ’), điểm cực p2 lại dịch xa gốc tọa độ hơn (p2 ’) Hàm truyền của mạch bây giờ là:
Vin(s)= (gm1)(gm11)(R1)(R11)(1−sC/gm11)
1+s[R 1 (C 1 +C c )+R 11 (C 11 +C c )+gm 11 R 1 R 11 C c ]+s 2 R 1 R 11 [C 1 C 11 +C c +C 1 C 11 ] Điểm cực bây giờ là p 1 ≅ −1 gm 11 R 1 R 11 C c p 2 ≅ −gm 11 C c
Nếu CII lớn hơn nhiều so với CI, và Cc lớn hơn CI, thì phương trình trên này xấp xỉ thành: p 2 ≅−gm 11
Lưu ý rằng, điểm không nằm trên truc thực và dương do tụ Cc Điểm không ở nửa mặt phẳng bên phải là: z 1 =gm 11
1.6 1-2 Minh họa sự di chuyển điểm cực khi chưa có bù và có bù
Hình 1.6.1-2 (b) là đồ thị biên và pha Điểm không ở nửa mặt phẳng bên phảiRHP tăng độ lệch pha (đóng vai trò giống như điểm cực ở nửa mặt phẳng bên trái hưởng đến độ ổn định của mạch Nếu điểm không (z1) hoặc điểm cực p2 di chuyển về gốc tọa độ, thì độ dự trữ pha sẽ giảm Nhiệm vụ đặt ra trong khi bù điểm cực trong mạch khuếch đại là di chuyển tất cả các điểm cực và điểm không, trừ điểm cực trội (p1), xa một khoảng đủ lớn so với gốc tọa độ, kết quả là ta có độ lệch pha như ở Hình 1.6.1-2 (b) Ở đây, ta mới chỉ xét mạch bậc hai (hai điểm cực) Trong thực tế, sẽ có nhiều hơn hai điểm cực trong hàm truyền của op amp CMOS, nên ta sẽ tập trung vào hai điểm cực trội và điểm không ở RHP mô tả một mạch op amp CMOS với các điện dung trong mạch và cả điện dung kí sinh Các điểm cực và điểm không được xấp xỉ là: p 1 ≅−G 1 G 11 gm 11 C C =−(g ds2 +g ds 4 +g ds7 ) g m6 C c p 2 ≅−gm 11
1.6 1-3 Một op-amp 2 tầng với các điện dung kí sinh và điện dung trong mạch
C c Điểm cực trội LHP, p1, được gọi là điểm cực Miller Nó được tạo ra bởi hiệu ứng Miller trên điện dung, Cc, như minh họa trong hình 1.6.1-3, trong đó M6 được giả định là NMOS Tụ điện Cc được nhân với hệ số khuếch đại của tầng thứ 2, gIIRII để tạo ra một tụ điện song song với RI của gIIRIICc Nhân điện dung này với RI và nghịch đảo sẽ cho ra Eq.Điểm cực thứ 2, p2 Độ lớn của điểm cực này này ít nhất phải bằng GB và do điện dung ở đầu ra của op amp Nó thường được gọi là điểm cực đầu ra Nói chung, CII bằng với điện dung tải, CL, làm cho điểm cực đầu ra phụ thuộc lớn vào điện dung tải. hình 1.6.1-3 cho thấy trực quan các điểm cực này Do | p2 | gần hoặc lớn hơn GB, điện trở của Cc xấp xỉ 1 / (GB.Cc) và rất nhỏ Trong thực tế, cực D của M6 được kết nối với
G của M6, tạo thành một diode MOS Ta đã biết điện trở tín hiệu nhỏ của một diode MOS là 1/gm Nhân 1/ gmII với CII (hoặc CL) và nghịch đảo cho ra phương trình trên Điểm không được tìm bằng cách sử dụng nguyên lý xếp chồng:
1.6 1-4Minh họa việc thực hiện điểm cực trội thông qua hiệu ứng Muller trên C c M6 được coi là NMOS cho hình minh họa này
1.6 1-5Minh họa cách tạo điểm cực đầu ra trong op-amp hai giai đoạn M6 được coi như một NMOS trong hình minh họa này
1.6 1-6Minh họa cách xây dựng điểm không trên RHP M6 được coi như một NMOS trong hình minh họa này
Như đã đề cập, mục đích của việc bù là làm cho độ dự trữ pha lớn hơn 45 Có thể thấy rằng nếu điểm không lớn hơn ít nhất 10 lần GB thì để có độ dự trữ pha là 45 thì điểm cực thứ hai p2 phải lớn hơn ít nhất 1.22 lần GB Còn để độ dự trữ pha là 60, p2 phải hơn hơn 2.2 lần GB Điều chỉnh điểm không ở RHP
Có một số cách để hạn chế ảnh hưởng của điểm không này Một cách là hạn chế đường truyền thẳng bằng cách thêm vào bộ đệm có hệ số là 1 vào đường phản hồi của tụ bù Phương pháp này mô tả ở Hình 1.6.1-7 Giả sử trở kháng của bộ đệm là rất nhỏ, thì hàm truyền của mạch là:
1+s[R 1 C 1 +R 11 C 11 +R 1 C c ]+s 2 [R 1 R 11 C 11 ( C 1+C c )] Các điểm cực xấp xỉ là:
1.6 1-7(a) Loại bỏ đường truyền thẳng bằng bộ khuếch đại điện áp (b) Mô hình tín hiệu nhỏ cho opamp hai tầng sử dụng kỹ thuật này
Lưu ý, điểm cực của mạch Hình 1.6.1-7 xấp xỉ như cũ, nhưng điểm không đã không còn Khi đó điểm cực p2 có thể được coi là cao hơn GB để có độ dự trữ pha là 45 Còn để độ dự trữ pha là 60, p2 phải lớn hơn gấp 1,73 lần GB Sử dụng kiểu bù này ta sẽ có dải thông lớn hơn và loại bỏ được điểm không Phân tích trên ta bỏ qua trở kháng ra của bộ đệm RO Nếu tính cả trở kháng này, và giả sử rằng nó nhỏ hơn RI hoặc RII, thì ta có thêm điểm cực và điểm không ở LHP: p 4 ≅ −1
Mặc dù điểm không ở LHP được dùng để bù tần số, nhưng điểm cực thêm vào làm cho phương pháp này ít được dùng hơn phương pháp sau đây Ta thêm một điện trở nối tiếp với Cc như ở hình 1.6.1-8
1.6 1-8 (a) Sử dụng điện trở nulling để điều khiển điểm zero ở RHP.(b) Mô hình tín hiệu nhỏ của điện trở nulling được áp dụng cho opamp 2 tầng
Dựa vào điện thế nút: g m1 V ¿ +V I
Giải phương trình ta rút ra:
Nếu Rz giả sử nhỏ hơn RI,RII, các nghiệm của phương trình trên xấp xỉ là: p 1 ≅ −1
Dễ dàng thấy rằng, điện trở null điều khiển giá trị của điểm không ở RHP, minh họa tầng ra được chia làm hai phần Điện áp ra được biễu diễn:
R 11 +R z + 1 s C c Đặt tử số bằng 0 ta được, giả sử gm6=gmII Để loại bỏ điểm không ở RHP, Rz phải có giá trị bằng 1/gmII Một cách khác để chuyển điểm không từ RHP sang LHP cạnh điểm p2. Khi đó, điểm cực do điện dung tải đầu ra sẽ không còn Để thực hiện điều này, phải thỏa mãn điều kiện sau:
1.6 1-9 Minh họa cách điện trở nulling thực hiện việc điều chỉnh điểm zero ở RHP
Do p2 đã không còn, chỉ còn lại điểm cực p1 và p3 Để ổn định, độ lớn của p3 và p4 phải lớn hơn GB, do đó: ¿p 3 ∨¿A v (0)∨p 1 ∨¿ A v (0) g m11 R 1 R 11 C c =GB ¿p 4 ∨¿( 1
C c ) Thế phương trình dưới đây vào phương trình trên và giả sử CII>>Cc ta được:
Như vậy việc sử dụng điện trở null đã mang lại hiệu quả Op amp có độ ổn định ngay cả khi tải dung lớn Chỉ có một điểm hạn chế là điểm cực đầu ra, p2, không thay đổi sau khi bù Ta có thể tăng biên độ của p2 bằng cách đưa thêm tụ Miller ở đường phản hồi như ở 1.6.1-9
1.6 1-10(a) Mạch điều chỉnh điểm cực đầu ra.(b) Mô hình tín hiệu nhỏ của (a) (c)
Phiên bản đơn giản của (b) (d) Kết quả là các cực zero của (a)
Mô hình tương đương tín hiệu nhỏ của mạch được trình bày ở hình 1.6.1-10 (b) Điện trở R1 và R2 là:
Trong đó M2 và M4 là trans đầu ra của tầng đầu tiên Để đơn giản hơn, bỏ qua rds8 thì mô hình được đơn giản của hình hình 1.6.1-10 (a) là hình 1.6.1-10 (c) Phương trình điện thế nút của mạch:
Giải phương trình để rút ra:
Sử dụng phương pháp xấp xỉ, ta có các điểm cực:
Trong đó, tất cả các điện trở kênh được giả sử bằng với rds và p2 ’ là điểm cực khi bù Miller thông thường Lưu ý rằng hình 1.6.1-10 (d) vẫn còn điểm không ở RHP do đường qua Cgd6 – đường nét đứt ở Hình hình 1.6.1-10 (b) hình 1.6.1-10 (c) hình
1.6.1-11 mô tả một cách trựa quan điểm cực đầu ra tăng lên như thế nào khi thêm M8 ở đường phản hồi ở M6.
1.6 1-11 Minh họa cách tăng điểm cực đầu ra
Tại tần số gần với GB, điện kháng của Cc coi là nhỏ, thì M6 coi như là một MOS diot với hệ số gm8rds8 ở đường phản hồi Điều này khiến cho trở kháng đầu ra nhìn từ C2 (CII) xấp xỉ:
Bù kiểu truyền thẳng
Một kỹ thuật bù khác trong Op amp là kiểu bù truyền thẳng như ở hình 1.7.1-1
Hình 1.7 1-1 (a) Feedforward dẫn đến RHP bằng zero (b) Feedforward dẫn đến LHP bằng zero (c) Mô hình tín hiệu nhỏ cho (b)
Trong sơ đồ mạch này, bộ đệm được sử dụng để ngắt đường hai chiều qua tụ bù. Nhưng lại gây ra điểm không ở RHP Nếu đảo ngược cực tính của bộ đệm hoặc mạch khuếch đại, điểm không sẽ nằm bên LHP hình 1.7.1-1cho ta cách bù truyền thẳng với điểm không ở LHP do hệ số khuếch đại của bộ buffer bị đổi dấu hình 1.7.1-1 (c) là sơ đồ mô hình mạch Hàm truyền của mạch là:
C c +C II ( s+1 s+ /[R g mII II (/ C A C c +C c II )] ) Để sử dụng mạch hình 1.7.1-1 (b) trong việc bù, thì phải đặt điểm không gmII/ACc lớn hơn GB để việc tăng biên độ của nó không làm mất tác dụng của độ lệch pha dương gây ra bởi điểm không May mắn là, hiệu ứng pha mở rộng dải tần hơn so với hiệu ứng thay đổi biên do đó phương pháp này sẽ làm tăng độ dự trữ pha, và có thể tạo ra vài điểm không Những điểm không này nên lớn hơn GB và phải dễ dàng điều khiển để tránh thời gian xác lập lớn gây ra do điểm cực và điểm không ở gần nhau Một cấu hình khác của bù truyền thẳng là đưa một nhánh ở mạch khuếch đại không đảo, sơ đồ mạch ở hình 1.7.1-1 Kiểu bù này hay được dùng ở mạch lặp cực nguồn, trong đó tụ điện được nối từ cực G và cực S của mạch Tụ điện coi như một nhánh của trans bypass ở tần số cao
Tóm lại.Từ việc xem xét các ưu nhược điểm của mạch khuếch đại 2 tầng và quá trình bù trong mạch op-amp, nhóm chúng tôi quyết định thiết kế một mạch op-amp 2 tầng sử dụng phương pháp bù Muller là một bước quan trọng để đảm bảo hiệu suất và ổn định của mạch Bù Muller là một phương pháp hiệu quả để giảm thiểu hiệu ứng Miller và cải thiện hiệu suất của mạch, đặc biệt trong các ứng dụng y tế và y sinh nơi yêu cầu về độ chính xác và độ tin cậy là rất cao.Việc sử dụng phương pháp bù Muller trong thiết kế mạch op-amp 2 tầng giúp giảm thiểu hiệu ứng Miller, đảm bảo độ ổn định và phản hồi chính xác của mạch Đồng thời, bằng cách điều chỉnh các thông số như độ dự trữ pha, tần số cắt và băng thông, mạch có thể được tinh chỉnh để đáp ứng được yêu cầu cụ thể của ứng dụng.
THIẾT KẾ OPAMP 2 TẦNG
Cấu trúc chung của OPAMP hai tầng
Hình 2.1 1 Sơ đồ cấu trúc chung của OPAMP hai tầng
Trong mục 2.1, chúng ta sẽ xem xét sơ đồ khối chung của một mạch Op-Amp 2 tầng, là bước đầu tiên quan trọng trong quá trình thiết kế mạch này Sơ đồ khối cung cấp một cái nhìn tổng quan về cấu trúc và các thành phần cơ bản của mạch Op-Amp 2 tầng, giúp ta hiểu rõ hơn về nguyên lý hoạt động và cách mà các phần tử tương tác với nhau để tạo ra một mạch hoạt động hiệu quả Sơ đồ khối chung của một mạch Op-Amp hai như hình trên thường bao gồm các khối cơ bản như là CompensationCircuitry(tầng bù), Differential-Transconductance Stage( tầng chuyển đổi vi sai),High-Gain Stage( khuếch đại), Output Buffer(tầng đệm đầu ra), Bias Circuitry( phân cực) Mỗi khối đóng vai trò quan trọng trong việc xử lý và tăng cường tín hiệu, và cách chúng tương tác với nhau sẽ quyết định hiệu suất và ổn định của mạch Thông qua sơ đồ khối chung, chúng ta có thể nhìn nhận được cấu trúc tổng thể của mạch Op-Amp 2 tầng, từ đó có thể tiến hành phân tích chi tiết về các thành phần và cách chúng hoạt động Điều này sẽ giúp ta hiểu rõ hơn về nguyên lý hoạt động của mạch và có cơ sở để tiến hành các bước tiếp theo trong quá trình thiết kế Trong phần tiếp theo, chúng ta sẽ thảo luận về cấu trúc và chức năng của từng khối con trong sơ đồ, cũng như cách chúng liên kết với nhau để tạo ra một mạch hoạt động ổn định và hiệu quả. Đồng thời, chúng ta cũng sẽ xem xét các yếu tố quan trọng như băng thông, độ ổn định và độ nhạy của mạch, để có cái nhìn tổng thể về hiệu suất và khả năng áp dụng của mạch Op-Amp 2 tầng trong các ứng dụng y sinh và điện tử.
2.1.1 Tầng chuyển đổi vi sai- Transconductance Stage
Khối Differential-Transconductance Stage là phần quan trọng nhất của mạch Op- Amp 2 tầng, chịu trách nhiệm chuyển đổi tín hiệu đầu vào từ miền điện áp sang miền dòng Dưới đây là một phân tích chi tiết về các thành phần và hoạt động của khối DTCS:
Hình 2.1.1 1 Tầng chuyển đổi vi sai
Từ sơ đồ trên ta có các công thức:
2R D Đầu vào differential của khối thường là một cặp đầu vào đối xứng, đại diện cho hai tín hiệu đầu vào có pha đối lập Sự chênh lệch giữa hai tín hiệu này tạo ra một tín hiệu dòng tương ứng, là kết quả của quá trình chuyển đổi Ở giai đoạn này thường sử dụng các transistor hoạt động trong chế độ tích cực, như transistor MOS hoặc transistor bipol Hai transistor trong cặp differential được kết nối đặc biệt để tạo ra sự chuyển đổi dòng dựa trên vi sai giữa hai tín hiệu đầu vào Cấu trúc common-emitter (CE) hoặc common-source(CS) thường được sử dụng để các trans hoạt động trong vùng tích cực.Các tụ và điện trở được sử dụng để ổn định và điều chỉnh hoạt động Tụ có thể được sử dụng để tạo ra một bộ lọc để loại bỏ nhiễu hoặc ổn định dòng điện. Điện trở có thể được sử dụng để điều chỉnh tỷ lệ chuyển đổi và cân bằng độ nhạy của giai đoạn.
Thông qua phân tích chi tiết này, chúng ta có thể hiểu rõ hơn về cách mà khối Differential-Transconductance Stage hoạt động và ảnh hưởng đến hiệu suất và độ ổn định của mạch Op-Amp 2 tầng trong các ứng dụng thực tế
2.1.2 Tầng bù/phản hồi- Circuitry
Hình 2.1.2 1(a) Một mạch opamp không đảo (b) Sơ đồ tương đương của mạch (a)
Từ sơ đồ trên ta có:
Compensation Circuitry là một phần của mạch Op-Amp được thiết kế để cải thiện ổn định và hiệu suất của mạch bằng cách điều chỉnh phản hồi và bù cho các biến động không mong muốn Trong mạch Op-Amp, phản hồi được sử dụng để đảm bảo rằng đầu ra của mạch sẽ phản ứng phù hợp với các biến đổi ở đầu vào và đáp ứng theo cách mong muốn Tuy nhiên, trong một số trường hợp, các biến động và yếu tố không mong muốn như tần số, băng thông và nhiễu có thể gây ra sự không ổn định hoặc biến dạng tín hiệu đầu ra.Do đó, khối Compensation Circuitry được sử dụng để điều chỉnh và bù cho các biến động này Thông qua việc sử dụng các thành phần như tụ và điện trở, khối Compensation Circuitry có thể tạo ra một phản hồi phù hợp để ổn định mạch và giảm thiểu các biến động không mong muốn Cụ thể, các tụ và điện trở được sử dụng để tạo ra các mạch lọc và bộ điều chỉnh phản hồi, giúp cải thiện hiệu suất và độ ổn định của mạch Op-Amp.
2.1.3 Tầng khuếch đại- High-Gain Stage
High-Gain Stage là một phần quan trọng trong thiết kế của mạch Op-Amp 2 tầng, đóng vai trò quyết định trong việc cung cấp khuếch đại cao và độ nhạy lớn cho mạch. Trong phần này, chúng ta sẽ tập trung vào phân tích chi tiết về High-Gain Stage, bao gồm cấu trúc, nguyên lý hoạt động và các ứng dụng cụ thể trong lĩnh vực y sinh.Đầu tiên, chúng ta sẽ đi sâu vào cấu trúc của High-Gain Stage, xem xét các thành phần chính và cách chúng tương tác để tạo ra khuếch đại cao và độ nhạy lớn Tiếp theo, chúng ta sẽ phân tích nguyên lý hoạt động của High-Gain Stage, điều này sẽ giúp chúng ta hiểu rõ hơn về cách mà nó hoạt động để cung cấp khuếch đại mạnh mẽ cho mạch.
Cuối cùng, chúng ta sẽ xem xét các ứng dụng cụ thể của High-Gain Stage trong lĩnh vực y sinh Bằng cách hiểu rõ về High-Gain Stage và cách nó được áp dụng trong các ứng dụng y sinh, chúng ta sẽ có cái nhìn tổng quan về vai trò quan trọng của nó trong việc cung cấp kỹ thuật chẩn đoán và giám sát sức khỏe.
Từ sơ đồ trên ta có công thức:
High-Gain Stage trong mạch Op-Amp 2 tầng thường được thiết kế để cung cấp khuếch đại lớn cho tín hiệu đầu vào Cấu trúc của High-Gain Stage thường bao gồm các thành phần như transistor, tụ và điện trở, được sắp xếp theo cách tối ưu để tạo ra hệ số khuếch đại cao và độ nhạy lớn.Một trong những yếu tố quan trọng nhất trong High- Gain Stage là sự lựa chọn và kết hợp các loại transistor Trong nhiều trường hợp, các transistor MOS được ưa chuộng vì khả năng kích hoạt chuyển đổi nhanh và khả năng làm việc trong các mức điện áp thấp Tuy nhiên, các transistor bipolar cũng được sử dụng, đặc biệt là trong các ứng dụng y tế yêu cầu độ tin cậy cao Nguyên lý hoạt động của High-Gain Stage thường dựa trên sự kích hoạt chuyển đổi của transistor và việc tạo ra các đường dòng lớn để tạo ra khuếch đại Bằng cách tối ưu hóa cấu trúc và điều chỉnh các thông số của các thành phần, High-Gain Stage có thể cung cấp khuếch đại lớn và độ nhạy cao cho mạch Op-Amp 2 tầng.
Trong lĩnh vực y sinh, High-Gain Stage thường được áp dụng trong các thiết bị chẩn đoán y tế và giám sát sức khỏe Với khả năng cung cấp khuếch đại mạnh mẽ và độ nhạy cao, High-Gain Stage đóng vai trò quan trọng trong việc phát hiện và đo lường các tín hiệu y tế nhỏ và yếu từ cơ thể, giúp cho quá trình chẩn đoán và điều trị trở nên hiệu quả hơn."
Bias Circuitry là một phần không thể thiếu trong thiết kế của mạch Op-Amp 2 tầng, đóng vai trò quan trọng trong việc thiết lập và duy trì các điều kiện hoạt động ổn định cho mạch Trong phần này, chúng ta sẽ tiến hành một phân tích chi tiết về Bias Circuitry, bao gồm cấu trúc, nguyên lý hoạt động và ảnh hưởng của nó đối với hiệu suất và độ ổn định của mạch Op-Amp 2 tầng Đầu tiên, chúng ta sẽ đi sâu vào cấu trúc của Bias Circuitry, xem xét các thành phần chính và cách chúng tương tác để tạo ra các điều kiện hoạt động mong muốn cho mạch Tiếp theo, chúng ta sẽ phân tích nguyên lý hoạt động của Bias Circuitry, điều này sẽ giúp chúng ta hiểu rõ hơn về cách mà nó được sử dụng để ổn định các thông số chính của mạch như điện áp đầu vào và dòng bias.
Cuối cùng, chúng ta sẽ xem xét ảnh hưởng của Bias Circuitry đối với hiệu suất và độ ổn định của mạch Op-Amp 2 tầng Bằng cách hiểu rõ về Bias Circuitry và cách nó ảnh hưởng đến mạch, chúng ta sẽ có cái nhìn tổng quan về vai trò quan trọng của nó trong việc đảm bảo hoạt động ổn định và đáng tin cậy của mạch trong các ứng dụng thực tế."
Hình 2.1.4 1 Một số kiểu phân cực
Ví dụ ở hình đầu tiên đây là kiểu phân cực bằng mạch chia áp, từ hình trên ta có công thức:
Bias Circuitry thường bao gồm các thành phần như transistor, điện trở, và các nguồn điện áp Cấu trúc của nó có thể khá đa dạng tùy thuộc vào yêu cầu cụ thể của mạch Op-Amp và ứng dụng Bias Circuitry được sử dụng để thiết lập và duy trì các điều kiện hoạt động mong muốn cho các thành phần trong mạch Op-Amp Thông qua việc tạo ra các dòng bias và điện áp bias ổn định, nó đảm bảo rằng các transistor trong mạch hoạt động trong vùng hoạt động mong muốn và đáp ứng đúng cách với tín hiệu đầu vào Bias Circuitry giúp đảm bảo rằng các transistor hoạt động ổn định trong vùng hoạt động mong muốn, ngăn chặn các biến động không mong muốn do thay đổi nhiệt độ, điện áp hoặc điện trở.-Trong các ứng dụng y tế, nó được sử dụng để đảm bảo rằng các mạch Op-Amp hoạt động ổn định và chính xác trong các điều kiện môi trường khác nhau, như trong các thiết bị chẩn đoán y tế hoặc các thiết bị giám sát sức khỏe.
2.1.5 Tầng đệm đầu ra-Output Buffer
Output Buffer, hoặc còn được gọi là buffer đầu ra, là một phần quan trọng của mạch Op-Amp 2 tầng, đóng vai trò quyết định trong việc cung cấp độ ổn định và điện áp đầu ra mong muốn cho mạch Trong phần này, chúng ta sẽ tập trung vào phân tích chi tiết về Output Buffer, bao gồm cấu trúc, nguyên lý hoạt động và ứng dụng của nó trong lĩnh vực y sinh.Đầu tiên, chúng ta sẽ đi sâu vào cấu trúc của Output Buffer, xem xét các thành phần chính và cách chúng tương tác để tạo ra điện áp đầu ra ổn định và có khả năng cấp dòng tải cao Tiếp theo, chúng ta sẽ phân tích nguyên lý hoạt động của Output Buffer, điều này sẽ giúp chúng ta hiểu rõ hơn về cách mà nó hoạt động để duy trì điện áp đầu ra ổn định dưới các điều kiện khác nhau.
Hình 2.1.5 1 Tầng đệm đầu ra
Từ hình trên ta có sơ đồ tương đương của tầng dệm đầu ra
Hình 2.1.5 2 Sơ đồ tương đương tín hiệu nhỏ của bộ đệm đầu ra
Từ đó ta có công thức:
Sau khi đã phân tích chi tiết về các khối của opamp 2 tầng, chúng ta sẽ chuyển sang mục tiếp theo để thảo luận về thiết kế cấu trúc của mạch Phần sau sẽ tập trung vào các khía cạnh cơ bản của việc thiết kế cấu trúc Bằng cách hiểu rõ về cấu trúc và thiết kế của mạch, chúng ta sẽ có một cơ sở vững chắc để tiếp tục với các phần tiếp theo của đồ án, nhằm mục đích tối ưu hóa hiệu suất và ứng dụng của mạch Op-Amp 2 tầng trong lĩnh vực y sinh.
Thiết kế cấu trúc mạch
Thiết kế cấu trúc mạch Op-Amp 2 tầng là một quá trình phức tạp, đòi hỏi sự tỉ mỉ và kiến thức chuyên sâu về điện tử và lĩnh vực y sinh Một cấu trúc mạch hiệu quả và ổn định cần phải bao gồm các khối chức năng cơ bản như Differential-TransconductanceStage, Compensation Circuitry và Output Buffer Từ những khối vừa được phân tích ở mục trên, và kết hợp với việc tìm kiếm, tham khảo các tài liệu bên ngoài, nhóm chúng tôi xin được đề xuất cấu trúc mạch như sau:
Hình 2.2 1 Cấu trúc mạch được đề xuất
Cấu trúc mạch trên gồm hai tầng:
● Tầng đầu tiên là tầng khuếch đại, gồm các trans M1, M2, M3, M4.Trong đó
M1,M2 đóng vai trò là bộ khuếch đại vi sai, M3, M4 là tải gương dòng, M5 đóng vai trò như một nguồn dòng để phân cực
● Tầng thứ hai là tầng đệm đầu ra gồm trans M6 và M7 Ở đây, trans M6 là mạch
CS, tải tích cực là trans M7, tụ bù Cc được nối từ giữa tầng một sang tầng hai để cải thiện độ ổn định của mạch
Với cấu trúc mạch Op-Amp 2 tầng được đề xuất như trên sẽ cung cấp khả năng khuếch đại lớn hơn so với các cấu trúc Op-Amp đơn tầng, đặc biệt là trong các ứng dụng yêu cầu độ nhạy cao.Với sự kết hợp của các khối Differential-Transconductance Stage, Compensation Circuitry và Output Buffer, cấu trúc này thường có độ ổn định cao và có thể hoạt động một cách đáng tin cậy trong các điều kiện khác nhau.Output Buffer thường được thiết kế để cung cấp đáp ứng nhanh chóng đối với các biến thiên đầu vào, làm cho mạch Op-Amp 2 tầng phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu độ phản ứng nhanh.
Mục tiếp theo trong quá trình thiết kế mạch Op-Amp 2 tầng là Lựa Chọn Linh Kiện và Xác Định Các Tham Số Thiết Kế cụ thể Trong mục 2.2, chúng ta sẽ xem xét các yếu tố quan trọng trong việc chọn lựa các linh kiện phù hợp để xây dựng mạch Việc chọn lựa linh kiện phù hợp là một bước quan trọng để đảm bảo rằng mạch hoạt động ổn định và có hiệu suất cao trong các điều kiện hoạt động khác nhau.Tiếp theo, trong mục 2.3, chúng ta sẽ tập trung vào việc xác định các tham số thiết kế cụ thể của mạch Op- Amp 2 tầng Các tham số này bao gồm các thông số kỹ thuật quan trọng như điện áp cấp nguồn, điện áp đầu vào, băng thông, hệ số khuếch đại, và các tham số khác ảnh hưởng đến hiệu suất và ứng dụng của mạch trong lĩnh vực y sinh Việc xác định các tham số thiết kế đúng đắn là cần thiết để đảm bảo rằng mạch sẽ đáp ứng được yêu cầu cụ thể của ứng dụng và hoạt động một cách hiệu quả."
Lựa chọn linh kiện, tham số thiết kế
Trong lĩnh vực y sinh, việc thiết kế và sử dụng mạch Op-Amp phải tuân thủ các tiêu chuẩn và quy định chặt chẽ để đảm bảo an toàn và hiệu quả trong các ứng dụng y tế Dưới đây là một số tiêu chuẩn và quy định phổ biến:
1 ISO 13485 - Hệ thống quản lý chất lượng trong sản xuất y tế:Tiêu chuẩn này quy định các yêu cầu chung về quản lý chất lượng trong quá trình sản xuất các sản phẩm y tế, bao gồm cả thiết kế và phát triển sản phẩm.
2 IEC 60601 - Thiết bị y tế điện: Tiêu chuẩn này áp dụng cho các thiết bị y tế điện, bao gồm cả thiết bị y tế điện tử Nó quy định các yêu cầu về an toàn và hiệu suất của các thiết bị này.
3 ISO 14971 - Quản lý rủi ro y tế: Tiêu chuẩn này đề cập đến quản lý rủi ro trong thiết kế và sử dụng các thiết bị y tế, bao gồm cả mạch điện tử như Op-Amp Các tiêu chuẩn này có thể chứa các hướng dẫn cụ thể về yêu cầu thiết kế, vật liệu và yêu cầu về hiệu suất và an toàn cho các thiết bị y tế, bao gồm cả Op-Amp Để đảm bảo tuân thủ, các nhà sản xuất và kỹ sư thường phải tìm hiểu và áp dụng những tiêu chuẩn này trong quá trình thiết kế và phát triển sản phẩm.
Vì thời gian có hạn, Trong nghiên cứu này,chúng tôi quyết định tham khảo một bài thiết kế một Op-amp CMOS hai tầng đã được thiết kế sử dụng cả công nghệ180nm và 90nm cũng như các ứng dụng y sinh của nó
Bảng 2.1 Các thông số kỹ thuật được lấy cho quy trình thiết kế
Giá trị trong công nghệ 180nm
Giá trị trong công nghệ 90nm Độ dài kờnh 0,18àm 0,0 9 àm
n 0,09/V 0,48/V Để thiết kế op-amp, thông số kỹ thuật thiết kế đã được cung cấp trong bảng trên
THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG
Tính toán và lựa chọn thông số
Mạch khuếch dại opamp hai tầng được chọn thiết kế như sau:
Cấu trúc này đã được mô phỏng trong cả hai công nghệ 180nm và 90nm để tìm hệ số khuếch đại, băng thông, biên độ pha, độ trễ, slew rate, và công suất tiêu thụ của mạch. Để thiết kế op-amp CMOS hai tầng, cần phải xem xét nhiều bước thiết kế khác nhau Các bước thiết kế này giúp đạt được kích thước phù hợp của trans được sử dụng trong op-amp Người ta giả định rằng tất cả các trans đều ở trạng thái bão hòa Sau đó, chúng tôi chọn độ dài kênh sẽ được sử dụng trong toàn mạch để giữ cho tham số điều chế độ dài kênh không đổi Dưới đây là các bước để thiết kế op-amp CMOS hai tầng
1 Để độ dự trữ pha là 60 0 , lựa chọn giá trị tối thiểu của Cc bằng cách giả sử z≥10GB, suy ra
Cc > (2.2/10)(10 pF) = 2.2 pF chọn Cc =3pF
2 Xác định dòng tail current I5:
4 Để kiểm tra các điểm cực và điểm không do Cgs3 và cgs4 (=0.67W3L3Cox) không phải là điểm cực hay điểm không chính bằng cách giả sử p3 lớn hơn 10 GB (để giảm ảnh hưởng của p3):
5 Tính S1,S2 để có GB theo yêu cầu
) gm1 = GB Cc gm1 = (5x106)(2)(3x10-12) = 94.25μAS vì vậy (W/L)1 được tính
6 Để tính S5, cần tính V (sat) ds5 : ds5 in ss 5 1
7 Tính S6 bằng cách đặt điểm cực p2≥2.2GB
8 Bây giờ chúng ta sẽ tính I6 theo phương trình
Tính toán (W/L)6 dựa trên Vout(max), cho giá trị 15 Vì 190 vượt quá thông số kỹ thuật và cho biên độ pha tốt hơn nên ta chọn (W/L)6 = 190 và I6 = 95μAA.
10 Kiểm tra lại điều kiện về hệ số khuếch đại và công suất tiêu thụ:
Với I6 = 95μAA thỡ cụng suất tiờu tỏn là Pdiss = (2.5V+2,5V)ã(30μAA+95μAA) 0,625mW
Mô phỏng thiết kế
Với thời gian hạn chế và mong muốn đảm bảo hiệu suất tính chính xác của mạch Op-Amp 2 tầng trong đồ án của chúng tôi, chúng tôi quyết định tham khảo kết quả mô phỏng từ một bài báo cáo đã được công bố Việc này giúp chúng tôi có cái nhìn rõ ràng và đánh giá được hiệu suất của mạch trước khi thực hiện thiết cáo từ một tạp chí uy tín trong lĩnh vực y sinh, trong đó mô phỏng và phân tích hiệu suất của một mạch Op-Amp 2 tầng được thực hiện Bằng cách này, chúng tôi có thể tận dụng kết quả từ nghiên cứu trước đó và áp dụng chúng vào dự án của chúng tôi một cách hiệu quả.Kết quả mô phỏng từ bài báo cáo này cung cấp thông tin về các yếu tố quan trọng như băng thông, hệ số khuếch đại, tỷ lệ nhiễu, và các thông số kỹ thuật khác của mạch Op-Amp 2 tầng Chúng tôi sẽ sử dụng những kết quả này làm cơ sở để đánh giá hiệu suất và tinh chỉnh thiết kế của chúng tôi để đáp ứng được yêu cầu cụ thể của dự án.Bằng cách này, chúng tôi hy vọng sẽ tiết kiệm được thời gian và công sức trong quá trình thiết kế và đảm bảo rằng mạch Op-Amp 2 tầng của chúng tôi sẽ đáp ứng được các yêu cầu về hiệu suất và độ tin cậy cao
Dưới đây là kết quả mô phỏng
Vì chiều dài của mỗi trans phù hợp với công nghệ được xác định, nghĩa là đối với công nghệ 180nm, chiều dài lấy là 180nm và đối với công nghệ 90nm, chiều dài lấy là 90nm, do đó chiều rộng của mỗi trans được tính từ tỷ lệ (W/L) của các trans Hình bên dưới cho thấy tỷ lệ kích thước của trans cho op-amp được thiết kế ở cả công nghệ 180nm và 90nm
Bảng 3.1 Tỷ lệ W/L được lấy cho các trans
Từ bảng 2, có thể dễ dàng nhận thấy sự khác biệt về giá trị tỷ lệ (W/L) của công nghệ 180nm và 90nm Tỷ lệ (W/L) của trans ở công nghệ 180nm lớn hơn tỷ lệ (W/L) ở công nghệ 90nm Vì vậy, từ đây có thể suy ra rằng khi công nghệ thu nhỏ thì kích thước bóng bán dẫn cũng giảm theo. Để kiểm tra xem tất cả các thông số kỹ thuật thiết kế có được đáp ứng hay không, chúng tôi mô phỏng mạch điện trong Hình 3.2.1 với cách hoạt động đã được giải thích Mạch đã được mô phỏng ở cả công nghệ 180nm và 90nm Tất cả các kết quả đã được mô phỏng bằng công cụ Tanner EDA v14.1 Hình dưới đây cho thấy cấu trúc liên kết được chọn trong công việc này.
Hình 3.2 1 Sơ đồ triển khai của opamp hai tầng
3.2.1 Phân tích AC Ở đây GB, độ dự trữ pha (PM) của mạch đã được xác định bằng cách chọn tần số bắt đầu là 1 MHz và tần số kết thúc là 10 MHz Để thực hiện phân tích AC, sóng hình sin được áp dụng ở cả hai đầu vào của CMOS op amp Bằng cách thực hiện phân tích
AC, chúng tôi đã có được đường cong cho độ dự trữ pha (PM) và cường độ điện áp, từ đó suy ra hệ số khuếch đại vòng hở (Av), băng thông khuếch đại (GB) và giá trị độ dự trữ pha (PM)
Hình 3.2.1 1 bên dưới thể hiện đường cong phân tích AC sử dụng công nghệ 180nm Hệ số khuếch đại vòng hở được tìm thấy bằng cách sử dụng đường cong cường độ điện áp trong khi độ dự trữ pha được tính toán theo đường cong pha điện áp. Băng thông được tìm thấy bằng cách sử dụng đường cong cường độ điện áp nơi nó cắt trục X.
Các giá trị được suy ra cho các tham số như hệ số khuếch đại một chiều (Av), băng thông khuếch đại (GB) và độ dự trữ pha trong quá trình phân tích AC ở công nghệ 180nm đã được trình bày trong Bảng 3 bên dưới.
Hình 3.2.1 1 Đường cong phân tích AC cho công nghệ 180nm
Hình 3.2.1 2 bên dưới thể hiện đường cong phân tích AC sử dụng công nghệ90nm Ở đây cũng vậy, hệ số khuếch đại một chiều đo được bằng cách sử dụng đường cong cường độ điện áp trong khi độ dự trữ pha được tính toán theo đường cong pha điện áp Băng thông đạt đo được bằng cách sử dụng đường cong cường độ điện áp nơi nó cắt trục X Có thể dễ dàng nhận thấy sự khác biệt giữa hai đường cong của công nghệ 180nm và 90nm từ biểu đồ Sự khác biệt rõ ràng hơn giữa cả hai công nghệ 180nm và 90nm có thể được suy ra từ các giá trị suy ra cho các thông số được đề cập trong Bảng 3.
Các giá trị được suy ra cho các tham số như hệ số khuếch đại một chiều (Av), băng thông khuếch đại (GB) và độ dự trữ pha trong quá trình phân tích AC ở công nghệ 90nm đã được trình bày trong Bảng 3 bên dưới.
Hình 3.2.1 2 Đường cong phân tích AC cho công nghệ 90nm
Bảng 3.2 thể hiện sự so sánh các giá trị tham số đạt được khi phân tích AC ở công nghệ 180nm và 90nm Giá trị của hệ số khuếch đại một chiều (Av) đạt được cao hơn một chút ở công nghệ 90nm trong khi băng thông khuếch đại lớn hơn khoảng bốn lần ở công nghệ 180nm độ dự trữ pha đạt được ở công nghệ 90nm cao hơn khoảng 33,58°
Bảng 3.2 Giá trị thông số đạt được khi phân tích AC
PM 94,02° 127,6° Để tối ưu hóa những kết quả này, việc chia tỷ lệ kích thước trans đã được thực hiện vì cách dễ nhất để đạt được hệ số khuếch đại hơn là tăng giá trị chiều rộng và chiều dài lên gấp 2 vậy, ở đây độ rộng của bóng bán dẫn M1 và M2 đã được tăng lên theo hệ số 2 cho kết quả đầu ra như trong Bảng 4.
Bảng 3.3.Các giá trị tham số đạt được khi chia tỷ lệ trong quá trình phân tích AC
Từ sự so sánh rút ra từ Bảng 3 và Bảng 4 ở trên, có thể phân tích rõ ràng rằng giá trị khuếch đại đã tăng lên và băng thông khuếch đại GB cũng vậy Băng thông khuếch đại (GB) đã tăng gần gấp đôi ở công nghệ 180nm trong khi GB đã tăng gấp 3 lần ở công nghệ 90nm Vì vậy, việc mở rộng kích thước bóng bán dẫn đã cải thiện kết quả đạt được trong quá trình phân tích AC
Phân tích này giúp chúng tôi xác định giá trị độ trễ của op-amp Ở đây công suất cũng đã được xác định Độ rộng xung được lấy là 20ns và chu kỳ xung được lấy là40ns Tại các sóng xung đầu vào đã được đưa ra và đầu ra được xác định.
Hình 3.2.2 1 bên dưới thể hiện đường cong phân tích nhất thời sử dụng công nghệ 180nm Trục X biểu thị thời gian tính bằng ns Các giá trị suy ra cho các tham số như độ trễ và công suất trong quá trình phân tích transient ở công nghệ 180nm được thể hiện trong Bảng 5 dưới đây.
Hình 3.2.2 1Đường cong phân tích transient cho công nghệ 180nm
Hình 11 bên dưới thể hiện đường cong phân tích nhất thời sử dụng công nghệ 90nm Trục X biểu thị thời gian tính bằng ns Các giá trị suy ra cho các tham số như độ trễ và công suất trong quá trình phân tích transient ở công nghệ 90nm được thể hiện trong Bảng 5 dưới đây.
Hình 3.2.2 2 Đường cong phân tích transient cho công nghệ 90nm